DE19937565B4

DE19937565B4 - Verfahren zum Regeln der Ausgangsleistung eines Laserstrahls sowie eine dazugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE19937565B4
Application number: DE1999137565
Authority: DE
Inventors: Richard Wallenstein; Boris Ruffing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-08-09
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2019-08-10
Also published as: DE19937565A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Regeln einer Pumpstrahlung (12) in Laserstrahlung konvertierenden Vorrichtung (10), wie ein Laser oder ein optisch-parametrischer Oszillator, sind die Schritte vorgesehen: DOLLAR A - Bestimmen der in der Vorrichtung (10) unkonvertierten Pumpstrahlung (12), DOLLAR A - Nachführen einer Stellgröße auf den Punkt minimaler Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung (12).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln einer mit gepulster Pumpstrahlung synchron angeregten Vorrichtung, die die Pumpstrahlung in Laserstrahlung konvertiert, wie beispielsweise ein Laser oder ein optisch-parametischer Oszillator, sowie auf eine solche Vorrichtung mit einem Resonator, wie ein Laser oder optisch-parametischer Oszillator, zum Konvertieren von Pumpstrahlung in Laserstrahlung mit einem Stellelement zur Veränderung der optischen Resonatorlänge.
Vom Laser ist die Anregung von Atomen mit einer Pumpstrahlung bekannt, die durch stimulierte Emission des Laserstrahls wieder in den Grundzustand zurückfallen, wobei sich die von den Atomen aufgrund der Stimulanz ausgehenden Wellen kohärent überlagern. Hier wird mit Pumpstrahlung aber allgemein eine Strahlung bezeichnet, welche in einer geeigneten Vorrichtung eine Emission von Laserstrahlung verursacht.
Beispielsweise betrifft dies auch die nichtlineare Optik, in der über nichtlineare elektronische Prozesse von einer einfallenden Strahlung eine ausfallende Laserstrahlung mit doppelter Frequenz erzeugt werden kann. Dabei wird auch die anregende Laserstrahlung niedriger Frequenz in diesem Zusammenhang als Pumpstrahlung verstanden. Bei additiver Frequenzmischung werden dementsprechend die beiden Laserstrahlen unterschiedlicher Frequenz, aus denen in einem Summenfrequenzwandler eine Laserstrahlung mit der Summenfrequenz dieser Frequenzen erzeugt wird, ebenfalls als Pumpstrahlung verstanden.
Insbesondere wird die Erfindung näher anhand von optisch-parametrischer Oszillatoren beschrieben, wenn sie auch darauf nicht beschränkt ist. Bei optisch-parametrischen Oszillatoren wird mit Laserlichtimpulsen der Frequenz ω_p ein nichtlinearer Prozeß angeregt. In einem nichtlinearen Kristall entstehen dabei zwei Wellen, die üblicherweise als Signalstrahl der Frequenz ω_s und Idlerstrahl mit der Frequenz ω_i bezeichnet werden, für die aufgrund der Energieerhaltung die einfache Relation ω_p = ω_s + ω_i gilt. Beide Strahlen, sowohl die Signalstrahlung als auch die Idlerstrahlung, fallen in Zusammenhang mit der Erfindung unter den oben genannten allgemeinen Begriff „Laserstrahlung". Daraus wird schon deutlich, daß die Erfindung in einem weiten Bereich, insbesondere auch der nichtlinearen Optik, einsetzbar ist.
Derartige Vorrichtungen liefern im allgemeinen einen instabilen Ausgangsstrahl, wenn nicht Regelungen vorgesehen sind, mit denen beispielsweise die Temperatur, die Resonatorlänge oder ähnliches nachgeregelt wird. Dazu verwendet man bekannte Regeleinrichtungselemente, die bei Regelung der Leistung der Laserstrahlung auf den zu regelnden Parameter in geeigneter Weise Einfluß nehmen.
Im Folgenden soll den optisch-parametrischen Oszillatoren gegenüber den obigen beispielhaft genannten Vorrichtungen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, wenn auch die Erfindung auf alle anderen derartigen Vorrichtungen, wie sie vorstehend beispielhaft aufgeführt wurden, anwendbar ist.

Optisch-parametrische Oszillatoren (OPOs) sind seit 1965 bekannt [J. A. Giordmaine und R. C. Miller, Phys. Rev. Lett. 14, 973 (1965)] und die physikalischen Eigenschaften waren Gegenstand detaillierter theoretischer und experimenteller Untersuchungen [R. L. Byer, „Optical parametric oscillators" in Quantum Electronics Vol. 1, Part B, H. Rabin und C. L. Tang, eds. (Academic Press), Seiten 587-702 (1975)].

Synchron mit kontinuierlich modengekoppelter Laserstrahlung angeregte OPOs sind seit 1988 bekannt [A. Piskarskas, V. Smilgyavichus, und A. Umbrasas, Sov. J. Quantum Electron. 18,2 (1988), pp. 155 – 156] und wurden ebenfalls detailliert theoretisch und experimentell untersucht [R. L. Sutherland, „Handbook of nonlinear optics", Dekker (1996), pp. 165 – 171 und 191 – 203].

Der synchron angeregte OPO ist eine Quelle kohärenter Laserstrahlung, die in der Regel über einen weiten Wellenlängenbereich abstimmbar ist. Der OPO enthält als wesentliche Komponenten einen optischen Resonator, der aus mindestens zwei, in der Regel drei oder vier Spiegeln besteht und die so angeordnet sind, daß die Resonatormode im Resonator eine Strahltaille (Fokus) ausbilden kann. An der Position der Strahltaille der Resonatormode ist ein geeigneter optisch-nichtlinearer Kristall angeordnet. Der Kristall ist gegebenenfalls um eine Achse senkrecht zur optischen Achse der Resonators drehbar.

Der OPO wird synchron mit kohärenter Laserstrahlung, der sogenannten Pumpstrahlung, angeregt, die in der Regel von kontinuierlich modengekoppelt arbeitenden Lasern erzeugt wird. Solche Laser erzeugen eine Folge von zeitlich äquidistanten Lichtimpulsen mit einer typischen Impulsdauer in der Größenordnung von Pikosekunden oder Ferntosekunden und einer Repetitionsrate, d.h. Impulsfolgefrequenz, von mehreren MHz bis GHz. Die Ausgangsstrahlung des OPOs besteht aus einer sogenannten Signalwelle und einer sogenannten Idlerwelle, wie vorstehend schon beschrieben.

Die optische Länge des Resonators muß an den Abstand aufeinanderfolgender Pumpimpulse angepaßt sein, um synchrones Pumpen zu gewährleisten. Synchrones Pumpen heißt, daß die in den OPO-Resonator eingestrahlten Laserimpulse und die im OPO-Resonator umlaufenden Impulse der Signal- oder Idlerwellen den optisch-nichtlinearen Kristall gleichzeitig und räumlich überlagert durchlaufen. Das tolerierbare Längenintervall der Resonatorlänge, für welches die zeitliche Überlagerung der Lichtimpulse weitestgehend erfüllt ist, ist von der Impulsdauer und damit der räumlichen Länge der anregenden Laserimpulse abhängig. Es beträgt für Ferntosekundenimpulse typischerweise einige Mikrometer und für Pikosekundenimpulse einige Zehn bis Hundert Mikrometer.

Die zeitlichen und spektralen Eigenschaften, insbesondere die Impulsqualität, der erzeugten OPO-Strahlung sowie deren räumliche Eigenschaften, welche die Strahlqualität bestimmen, werden durch die zeitlichen, spektralen und räumlichen Eigenschaften der Pumpimpulse, durch die dispersiven Eigenschaften des Kristalls sowie durch die Eigenschaften des Resonators, wie z. B. der Strahlanteile im Resonatormode, der Resonatorlänge und des Auskopplungsgrades, bestimmt.

Die Leistung und die Impulseigenschaften der Signal- und Idlerstrahlung hängen insbesondere von der Resonatorlänge ab. Zu dieser Abhängigkeit wurden detaillierte experimentelle und theoretische Untersuchungen angestellt [C. Fallnich, B. Ruffing, Th. Herrmann, A. Nebel, R. Beigang, R. Wallenstein, Appl. Phys. B 60 (1995), Seiten 427 – 436], [E. C. Cheung and J. M. Liu, J. Opt. Soc. Am. B 7, 8 (1990), Seiten 1385 – 1401].

Fallnich, C. Appl. Phys. B., Vol. 60, 1995, S. 427 – 436 beschreibt die Ergebnisse einer experimentellen Untersuchung und numerischen Simulation des Einflusses der Resonatorlänge auf die optischen Eigenschaften eines gepulsten synchron angeregten optisch-parametischen Oszillators. In dieser Druckschrift werden jedoch keine Hinweise zur Stabilisierung des OPO-Resonators oder zu Verfahren und Anordnungen, die dazu geeignet sind, angegeben.

Die Resonatorlänge des synchron gepumpten OPOs unterliegt Schwankungen aufgrund von Änderungen des Brechungsindexes der Luft, die beispielsweise von Luftströmungen oder lokalen Turbulenzen hervorgerufen werden oder von lokal variierender Luftzusammensetzung, insbesondere erhöhtem CO₂-Gehalt und erhöhtem Wasserdampfgehalt, oder von thermischer Ausdehnung mechanischer Komponenten, insbesondere der Grundplatte, auf der die optomechanischen Komponenten des OPO montiert sind, verursacht werden.

Längenvariationen können auch auf mechanische Vibrationen zurückgeführt werden. Derartige zeitliche Änderungen der Resonatorlänge führen zu einer Änderung der Impulseigenschaften, der Strahleigenschaften und der Leistung der Signal- und Idlerstrahlung. Ebenso kann sich die Wellenlänge der OPO – Strahlung ändern. Welche OPO – Parameter am stärksten betroffen sind, hängt vom nichtlinearen Kristall, der Art der Phasenanpassung und der Pumplaserstrahlung ab.

Aus den genannten Gründen sollten insbesondere Änderungen der eingestellten Resonatorlänge vermieden werden. Die Resonatorlänge kann dazu mit einer elektronischen Anordnung stabilisiert werden.

Eine Methode zur Stabilisierung der Wellenlänge von Signal- und Idlerstrahlung eines synchron angeregten OPOs durch elektronische Nachregelung der Resonatorlänge findet sich in den Veröffentlichungen von E. S. Wachmann, D. C. Edelstein, C. L. Tang, Opt. Lett. 15, 136 (1990) und D. S. Butterworth, S. Girard, D. C., Hanna, Opt. Commun. 123 (1996), Seiten 577 – 582.

Neben der phasenangepaßten, optisch-parametrischen Verstärkung finden in einem OPO in der Regel weitere nichtphasenangepaßte optisch-nichtlineare Prozesse statt. Das sind z. B. die Summenfrequenzmischung der Pumpstrahlung mit der Signalstrahlung, die Summenfrequenzmischung der Pumpstrahlung mit der Idlerstrahlung sowie die Frequenzverdopplung der Pumpstrahlung, der Signalstrahlung oder Idlerstrahlung.

Die Leistung der durch diese optisch-nichtlinearen Prozesse erzeugten Strahlung ändert sich in charakteristischer Weise mit der Länge des Resonators. Deshalb ist sie beispielsweise für die Erzeugung eines Regelsignals geeignet. Dieses wurde am Beispiel eines mit einem kontinuierlich modengekoppelten Titan-Saphir-Laser mit Ferntosekundenimpulsen synchron angeregten KTP-OPOs demonstriert. Für die Längenstabilisierung wurde dabei als Regelsignal die Leistung der nichtphasenangepaßten Strahlung benutzt. [T. F. Albrecht, J. H. H. Sandmann, J: Feldmann, W. Stolz, E. O. Göbel, H. Hillmer, R. Lösch, W. Schlapp, Appl. Phys. B. 60 (1995), Seiten 459 – 467].

Die Wellenlänge der Strahlung, die von den oben genannten nichtphasenangepaßten Frequenzkonversionsprozessen erzeugt wird, wird durch die Wellenlängen der Pumpstrahlung und der Signal- oder Idlerstrahlung bestimmt. Sie liegt für OPOs, die mit Titan-Saphir-Lasern angeregt werden, in der Regel im sichtbaren Spektralbereich. Die Leistung dieser Strahlung liegt für mit Ferntosekundenimpulsen angeregten OPOs typischerweise bei ungefähr 1 mW. Für OPOs, die mit Pikosekundenimpulsen angeregt werden, sind die Leistungen aufgrund der geringeren Spitzenleistungen im nichtlinearen Kristall deutlich geringer, so daß eine zuverlässige Detektion erschwert wird.

Anhand der vorstehend dargestellten Problematik sollte deutlich sein, daß insbesondere für OPOs, nach befriedigenden Verfahren zur Leistungsregelung gesucht werden sollte.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein neues Regelverfahren für eine Vorrichtung, sowie eine entsprechende geregelte Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der verbesserte Regeleigenschaften erreichbar sind.

Die Aufgabe wird ausgehend vom einleitend genannten Stand der Technik bezüglich des Regelsverfahrens durch die folgenden Schritte gelöst:

– Bestimmen der Leistung der nach Transmission durch die Vorrichtung unkonvertierten Pumpstrahlung,
– Nachführen der optischen Resonatorlänge als Stellgröße auf den Punkt minimaler Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung.

US 5,367,531 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserlicht. Diese Vorrichtung umfasst mindestens eine Laserlichtquelle, einen ersten und einen zweiten Reflektor, ein nicht-lineares optisches Kristallelement sowie einen Antrieb. Es ist eine Detektionsschaltung vorhanden, die die Intensität die Pumpstrahlung detektiert, die von einem optischen Resonator reflektiert wird. Der Resonator enthält ein optisch-nicht lineares Element. Die Länge des Resonators wird so gesteuert, dass die Pumpstrahlung, die vom Resonator reflektiert wird, minimal ist.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist dementsprechend gekennzeichnet durch eine Detektionseinrichtung zum Detektieren der Leistung der nach Transmission durch die Vorrichtung unkonvertierter Pumpstrahlung, sowie eine Regeleinrichtung zum Steuern des Stellelements in Abhängigkeit von der Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung, wobei die Regeleinrichtung eine Schaltung aufweist, die das Stellelement in Richtung auf minimale Leistung der nach Transmission durch die Vorrichtung unkonvertierte Pumpstrahlung steuert.

Hier macht man sich also ein ganz anderes Verfahren als beim genannten Stand der Technik zunutze, indem die Leistung der Pumpstrahlung nach Transmittieren durch die Vorrichtung, d. h. der unkonvertierten Pumpstrahlung, detektiert wird. Aufgrund der Regelung auf das Minimum der Pumpstrahlung wird die effektivste Umwandlung der Pumpstrahlung in Laserstrahlung erfaßt.

Eine Regelung auf das Minimum ist ferner insbesondere empfindlicher als die Regelung auf ein Maximum, wie sie bei Regelung auf maximale Ausgangsleistung eingesetzt würde. Außerdem ist die Leistung der Pumpstrahlung im allgemeinen auch wesentlich höher als die der Leistung der Laserstrahlung, da in allen betrachteten Prozessen nur ein Teil der Pumpleistung konvertiert wird. Das bedeutet, daß das Signal/Rauschverhältnis bei der erfindungsgemäßen Regelung wesentlich günstiger liegt, als bei einer Regelung auf die erzeugte Leistung der Laserstrahlungen. Bei OPOs kontrolliert man auf diese Weise zudem gleichzeitig zwei Leistungen, nämlich sowohl die des Signal- als auch die des Idlerstrahles.

Insbesondere ergeben sich für OPOs noch die folgenden Vorteile: Die vom OPO transmittierte Pumpstrahlung, d. h. die Pumpstrahlung, die nicht in Signal- und Idlerstrahlung konvertiert wird, zeigt, da der Wirkungsgrad der Konversion und somit die Ausgangsleistung der Signal- und Idlerstrahlung durch die Resonatorlänge bestimmt ist, eine charakteristische Abhängigkeit von der Resonatorlänge.

Erfindungsgemäß wird die Leistung der transmittierten Pumpstrahlung als Regelsignal benutzt. Bei optimaler Umsetzung der Pumpstrahlung in Signal- und Idlerstrahlung hat die transmittierte Pumpstrahlung minimale Intensität. Die Intensität der transmittierten Pumpstrahlung steigt an, wenn die Resonatorlänge nicht der optimalen Länge entspricht und damit die Leistung von Signal- und Idlerstrahlung abnimmt.

Da die Wellenlänge der transmittierten Pumpstrahlung allein durch die Wellenlänge des Pumplasers bestimmt ist, beeinflussen wellenlängenabhängige Effekte, beispielsweise durch Dispersion, die Regelung nicht oder nur unwesentlich. Die Leistung der transmittierten Pumpstrahlung ist ferner deutlich größer als die Leistung des genannten nichtphasenangepaßten Konversionsprozesses gemäß dem vorher angeführten Stand der Technik. Das Verfahren ist ferner unabhängig davon, ob der OPO mit Ferntosekundenimpulsen oder mit Pikosekundenimpulsen angeregt wird, anwendbar.

Das oben näher beschriebene Verfahren und die Vorrichtung läßt sich auf alle möglichen Stellgrößen, wie beispielsweise die Temperatur, Ausrichtung von Spiegeln und Kristallen und ähnlichem, anwenden. Wichtig ist für die Anwendung allein, daß die Stellgröße sowohl Einfluß auf die Pumpstrahlung als auch auf die erzeugte Laserstrahlung hat.

Die Regelung läßt sich noch wesentlich verbessern, wenn nicht die Pumpleistung selbst als Regelgröße eingesetzt sondern wenn die minimale Pumpleistung zur Regelung auf die maximale Leistung normiert wird. Die maximale Leistung läßt sich beispielsweise durch Abspalten eines kleinen Teils der Pumpstrahlung vor Einspeisung in die Vorrichtung bestimmen. Eine Normierung für die Regelgröße kann dann durch bekannte Divisionschaltkreise erfolgen, wobei der Signalwert für die transmittierte Pumpstrahlung durch den Signalwert für die eingespeiste Pumpstrahlung dividiert wird und das Ausgangssignal dieses Schaltkreises als Istwert der Regelung verwandt wird.

Demgemäß ist bei einem vergleichbaren Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß die Leistung der in die Vorrichtung einfallenden Pumpstrahlung detektiert und die Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung zur Bildung des Istwerts der Regelung auf die detektierte Leistung der Pumpstrahlung normiert wird.

Folgende vergleichbare Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im wesentlichen auf eine vorteilhafte Ausgestaltung bezüglich der Verstellung der Resonatorlänge ausgelegt:
Die Resonatorlänge kann auf verschiedene Weise geändert werden. Beispielsweise könnte man daran denken, durch Drehung einer planparallelen Platte den effektiven Lichtweg herauf- oder herabzusetzen. Es ist auch möglich, eine Temperaturänderung mit der dadurch verbundenen Längenänderung auszunutzen. Insbesondere hat es sich aber als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Resonator durch zwei Spiegel begrenzt ist und das Stellelement für die Verstellung von mindestens einem dieser Spiegel vorgesehen ist. Dieses Ausführungsbeispiel ist einfach auszuführen und läßt sich wesentlich empfindlicher einstellen, als beispielsweise bei der genannten Temperaturänderung. Insbesondere könnte sich eine Temperaturänderung auch auf die physikalischen Eigenschaften von Bauelementen wie beispielsweise nichtlineare Kristalle nachteilig auswirken.

Zur Verstellung des Spiegels gibt es ebenfalls mehrere Möglichkeiten. So lassen sich beispielsweise Schrittmotoren einsetzen. Wesentlich empfindlicher wäre allerdings eine elektrostatische Verstellung, indem beispielsweise ein Spiegel als Kondensatorplatte eines Kondensators mit geeignetem Dielektrikum ausgeführt ist und eine Dickenänderung des Kondensators durch die angelegte Spannung erfolgt. Weiter ließe sich auch eine magnetische Verstellung mit Hilfe einer stromdurchflossenen Spule, die einer den Spiegel haltenden Feder entgegenwirkt, vorsehen.

Gegenüber allen diesen Möglichkeiten ist es aber gemäß einem vergleichbaren Ausführungsbeispiel der Erfindung besonders bevorzugt, daß ein piezoelektrischer Antrieb zum Verstellen des mindestens einen Spiegels des Resonators vorgesehen ist.

Ein piezoelektrischer Antrieb ist äußerst reproduzierbar, einfach herzustellen und auf sehr geringe Längenänderungen empfindlich. Die aufgewendete Leistung ist sehr klein, so daß auch die Steuerelektronik mit ihren Endstufen entsprechend wenig aufwendig gestaltet werden kann. Eine Steuerung mit Hilfe eines piezoelektrischen Elements ist auch schnell genug, um beispielsweise Vibrationen und dadurch bedingte Verstellungen des Resonators effektiv ausgleichen zu können.

Besonders einfach bezüglich des Aufbaus, insbesondere für die Ein- und Auskopplung der Pumpstrahlung, ist eine Weiterbildung der Erfindung einer Vorrichtung, bei der im Resonator ein Spiegel zur Faltung des Strahlenganges vorgesehen ist, der für die Pumpstrahlung durchlässig ist und hinter dem die Detektionseinrichtung zum Detektieren der unkonvertierten Pumpleistung angeordnet ist.

Prinzipiell könnte man eine Regelung bei gepulsten Laserstrahlen durch eine Proportionalregelung durchführen, da die Nachstellung insbesondere bei Impulsen in Pikosekunden- und Ferntosekundenbereich, aufgrund der Trägheit der Spiegelverstellung üblicherweise zu langsam ist, den Impulsen selbst zu folgen, die Pulse also zeitlich ausgemittelt werden. Vorteilhafter ist aber gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, wenn die Pumpstrahlung gepulst ist, und der Detektionseinrichtung ein Integrator nachgeschaltet ist, dessen Zeitkonstante länger als die inverse Repetitionsrate der Pulse der Pumpstrahlung ist. Dann wird nämlich das Signal noch vor der Regelschaltung gemittelt. Die Regelschaltung gerät weniger leicht in den Sättigungsbereich und bedarf langsamerer Regelzeiten. Insgesamt wird die gesamte Regelungscharakteristik dadurch verbessert.

Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist diesbezüglich vorgesehen, daß die Pumpstrahlung gepulst ist und die Schaltung einen PID-Regler aufweist, bei dem die Zeitkonstanten für Differentiation und Integration größer als die Pulslänge und insbesondere größer als die inverse Repetitonsrate der Pulse der Pumpstrahlung ist und daß das Verhältnis der Zeitkonstanten für Differentiation zu Zeitkonstanten der Integration kleiner als ein Drittel und insbesondere kleiner gleich ein Zehntel ist.

Aufgrund der schnellen Pulse im Bereich von Piko- und Ferntosekunden wirkt bei üblich ausgelegten PID-Reglern bei der genannten Dimensionierung der Zeitkonstanten im wesentlichen der I-Teil. Die Scheinwiderstände der für I- und D-Teil ausgewählten Kondensatoren sind bei schnellen Pulsen gegenüber den Widerständen in der üblichen PID-Reglerschaltung durchlässig, so daß der PID-Regler während der Pulsintervalle eigentlich als kapazitiver Proportionalregler arbeitet. Der P-Anteil der Regler ist dagegen bei der angegebenen Auslegung der Zeitkonstanten im wesentlichen nur für die Entladung der Kondensatoren verantwortlich, um ein Überschwingen der Regelung bzw. ein Weglaufen der Integration bezüglich eines Nullpunktfehlers zu verhindern. Im Prinzip stellt der genannte PID-Regler also einen Integrator mit nachfolgender P-Regelung gemäß der vorher beschriebenen Weiterbildung der Erfindung dar. Eine derartige Vorrichtung mit PID-Regler ist aber insbesondere vorteilhaft, weil sowohl Integration als auch Regelung in einem einzelnen Bauelement, z. B. in einem Operationsverstärker mit entsprechender Beschaltung, zusammengefaßt sind. Außerdem benötigt man bei dieser Ausgestaltung gegenüber einer Integration hinter dem Regler, wie es prinzipiell auch möglich wäre, relativ langsame Bauelemente, die sogar nur Schaltgeschwindigkeiten im Frequenzbereich von 10 KHz aufweisen müssen.

In der Nähe eines Minimums gibt es üblicherweise zwei Flanken, die unterschiedliche Steigung haben können. Diesbezüglich ist bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß der funktionelle Zusammenhang zwischen der Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung und der Stellgröße zwei Flanken mit unterschiedlichen Steigungen aufweist, jeweils eine auf jeder Seite des Punkts minimaler Leistung, auf den geregelt wird, und die Regeleinrichtung an einem Arbeitspunkt zur Regelung der Pumpleistung auf derjenigen Flanke mit der geringeren Steigung wirksam ist.

Aufgrund der Auswahl dieser Flanke wird die Regelung wesentlich empfindlicher. Die Auswahl liefert auch einen bedeutenden Vorteil bezüglich der Eindeutigkeit der Regelung. Aufgrund des Integrationsanteils der Regelung, beispielsweise bei dem obengenannten PID-Regler, ist es bei Regelung auf Extremalwerte möglich, daß die Regelung von einem Arbeitspunkt einer Flanke auf einen anderen auf der anderen Flanke wechselt, wonach die Regelung aber nicht mehr ordnungsgemäß arbeiten kann. Durch die genannte Auswahl der Flanke kann dieser unerwünschte Effekt reduziert werden. Eine Regelung gemäß der Weiterbildung der Erfindung ist deshalb weitaus stabiler als eine, deren Arbeitspunkt auf der steileren Flanke liegt.

Aufgrund des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips, möglichst in der Nähe des Minimums zu arbeiten, wäre es naheliegend, sich sogar direkt auf das Minimum zu setzen. Der Aufwand für eine derartige Regelung wäre aber entsprechend hoch, da man dann die Charakteristik der Pumpleistungsabhängigkeit von der Stellgröße differenzieren müßte, um einen Nulldurchgang zu erzeugen, auf den geregelt werden kann. Aufgrund der Trägheit der Bauelemente wären die Zeitkonstanten für die Differentiation dabei jedoch entsprechend hoch zu wählen, was dann eine geeignete Differentiation unter der Berücksichtigung von Entladezeiten der Kondensatoren entsprechend aufwendig machen würde. Deswegen ist es vorteilhaft, nicht genau im Minimum zu arbeiten, sondern auf einer der genannten Flanken. Andererseits möchte man aber möglichst in der Nähe des Minimums arbeiten.

Als besonders vorteilhaft hat sich diesbezüglich eine Begrenzung des Arbeitspunktes herausgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Sollwert der Regeleinrichtung für die unkonvertierte Pumpstrahlung für einen Wert kleiner als 0,2 (Pmax – Pmin) + Pmin ausgelegt ist, mit Pmax der vollen Pumpleistung und Pmin der minimalen Pumpleistung der unkonvertierten Pumpstrahlung gemäß dem funktionellen Zusammenhang zwischen der Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung und der Stellgröße. Aufgrund der so erreichten Regelung außerhalb des Minimums, jedoch nah genug am Minimum, trägt auch das Signal/Rauschverhältnis des Istwerts der Regelung weniger bei als bei einer Regelung im Minimum. Die Regelung wird stabiler.

Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine Verbesserung der Regelung dadurch vorgesehen, daß die Regeleinrichtung bei Vorliegen eines Wendepunktes auf einer zum Regeln eingesetzten Flanke in dem funktionellen Zusammenhang zwischen der Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung und der Stellgröße für einen Sollwert der Regelung der Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung unterhalb dieses Wendepunkts ausgelegt ist.

Bei einem vergleichbaren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die beim Einschalten der Vorrichtung die Regeleinrichtung deaktiviert und statt dessen ein Rastern des Stellwerts initiiert. Bei dem Rastern wird das Minimum grob ermittelt, sowie die Regelgröße am grob ermittelten Minimum eingestellt, bevor die Regeleinrichtung aktiviert wird.

Aufgrund dieser Steuerung kann man schon kurz nach dem Starten, im Kaltzustand, einen Laserbetrieb aufnehmen, in dem die Regeleinrichtung auf ein neu gesuchtes Minimum grob eingestellt wird. Im anderen Falle hätte man, da üblicherweise im warmen Zustand ausgeschaltet wird, bei Betriebsbeginn in einem Bereich der Charakteristik arbeiten müssen, in dem die Pumpleistung in der Nähe des Maximums liegt, also dort, wo die Wahrscheinlichkeit für die Konversion der Pumpstrahlung in die Laserstrahlung außerordentlich gering ist.

Außerdem verläuft der funktionale Zusammenhang zwischen der Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung und der Stellgröße in der Nähe maximaler transmittierter Pumpleistung im wesentlichen flach, was ebenfalls eine Regelung erschwert. Die zusätzliche Steuereinrichtung sorgt also für eine schnelle Aufnahme des Laserbetriebs nach Einschalten, und insbesondere danach auch für eine gute Regelung während des Hochlaufens auf den „Warmbetrieb".

Wie vorstehend schon erläutert wurde, ist die Vorrichtung insbesondere dann vorteilhaft, wenn sie nach Art eines optisch-parametrischen Oszillators aufgebaut ist und ein gepulster Laser zum Erzeugen der Pumpstrahlung vorgesehen ist. Statt die Idlerstrahlung als Laserstrahlung zu verwenden, ist es besonders bevorzugt, daß die erzeugbare Laserstrahlung die Signalstrahlung des optisch- parametrischen Oszillators ist, der einen auf die Signalstrahlung abgestimmten Resonator aufweist.

Weitere Besonderheiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Es zeigen:

1 ein Beispiel für eine Regelung anhand eines KTA-OPOs mit geregelter Resonatorlänge;

2 eine schematische Schaltung für die Elektronik in 1 mit einem PID-Regler;

3 ein Beispiel dafür, wie der PID-Regler in 2 durch einen Integrator und einen Proportionalregler ersetzt werden kann;

4 ein Flußdiagramm für eine Regelung beim Ausführungsbeispiel von 1;

5 die Ausgangsleistung der Signalstrahlung (A) und der Pumpstrahlung (B) bei dem OPO von 1;

6 die Ausgangsleistung der Signalwelle und Leistung der Pumpstrahlung bei dem OPO von 1
A) im geregelten Betrieb
B) im ungeregelten Betrieb.

Im Folgenden wird die Erfindung eingehender anhand eines OPOs erläutert, bei dem die Resonatorlänge geregelt wird. Wie vorstehend schon ausgeführt wurde, läßt sich die Erfindung auch auf andere Vorrichtungen zum Erzeugen von Laserstrahlen anwenden und ist ferner nicht auf eine Regelung der Resonatorlänge beschränkt. Sie kann in allen Fällen eingesetzt werden, bei denen eine Stellgröße für einen Parameter der laserstrahlerzeugenden Vorrichtung sowohl die Pumpstrahlung als auch die Laserstrahlung beeinflußt.
Bei einem OPO 10 gemäß 1 wird die Pumpstrahlung 12 mittels eines kontinuierlich modengekoppelten Titan-Saphir-Laser 14 erzeugt, mit Hilfe zweier Spiegel 16, 18 umgelenkt und in den OPO eingespeist. Der linear gefaltete Resonator des OPOs besteht aus den Spiegeln 20, 22, 24, 26, 28 und 30.
Beim praktisch ausgeführten OPO 10 betrug die Länge des Resonators 1,87 m entsprechend der Wiederholrate der Pumpimpulse von 80 MHz. Die Spiegel 30, 28, 22, 20 waren plan, die Spiegel 24 und 26 dagegen mit einem Krümmungsradius von – 100 mm sphärisch ausgeführt. Zwischen den fokusierenden Spiegeln 24, 26 in der Taille der Resonatormode befand sich ein nichtlinearer Kristall 32, der im Ausführungsbeispiel ein KTA-Kristall war.
Die Pumpstrahlung 12 wird mit der sphärischen Linse 34 durch den Spiegel 26 in den nichtlinearen Kristall 32 eingeleitet. Die von dem nichtlinearen Kristall 32 in Signal- und Idlerstrahl unkonvertierte Pumpleistung wird teilweise über den Spiegel 24 auf den Spiegel 22 reflektiert, der für die Pumpstrahlung teilweise durchlässig ist und fällt auf einen Fotodetektor 36. Das von dem Fotodetektor 36 erzeugte Signal gelangt in eine elektronische Schaltungseinrichtung 38, mit der ein piezoelektrisches Element 40 zur Bewegung der Spiegels 20 angesteuert wird. Mit der elektronischen Schaltungseinrichtung 38 wird so die Resonatorlänge durch Verstellen des Spiegels 20 relativ zu dem Spiegel 30 geändert und auf minimale durch den Fotodetektor 36 erfaßte Leistung der Pumpstrahlung geregelt. Das Minimum der Leistung der Pumpstrahlung bedeutet maximale Konversion der Pumpstrahlung. So kontrolliert man in einfacher Weise die maximale Konversion sowohl in Signalstrahl als auch Idlerstrahl.
Die Elektronik 38 wird im einzelnen anhand der 2 und 3 beschrieben. Das von dem Fotodetektor 36 kommende Signal wird erst in einen Vorverstärker 42 eingeleitet. Zur Regelung wird beispielsweise ein PID-Regler 44 eingesetzt, wie er in 2 als Operationsverstärker mit entsprechender Beschaltung dargestellt ist. Anschließend wird das Regelsignal über einen Endverstärker 46 verstärkt, mit dessen Ausgangsspannung das piezoelektrische Stellelement 40 angesteuert wird, das wiederum den Spiegel zur Änderung der Resonatorlänge trägt.
Der Sollwert für die Regelung wird dabei über eine Leitung 50 mit Hilfe eines Mikrocomputers 48 vorgegeben. Die Aufgabe des Mikrocomputers 48 besteht aber nicht ausschließlich in der Sollwertvorgabe. So gibt es beispielsweise eine weitere Leitung 52 zum Vorverstärker 42, mit dem die Ausgangsspannung des Vorverstärkers auf ein konstantes Potential gelegt wird. Weiter wird aus dem Regler 44 eine Spannung in den Mikrocomputer eingelesen, die anzeigt, wann das piezoelektrische Element 40 am Anschlag ist.
Nach Anschlagen des piezoelektrischen Elements wird nämlich die Regelung ausgeschaltet und ein Rasterbetrieb durchgeführt, wie nachfolgend anhand von
4 näher beschrieben wird. Für diesen Rasterbetrieb wird die Ausgangsspannung des Verstärkers 42 über die Leitung 52 auf ein konstantes Potential gelegt und die Sollwertspannung über die Leitung 50 kontinuierlich durchgefahren, so daß der Mikrocomputer in der Lage ist, das Minimum der Pumpstrahlung in Abhängigkeit der Verstellung des piezoelektrischen Elements für optimale Regelung zu finden und danach erst den Regelbetrieb aufzunehmen.
Der im Ausführungsbeispiel einsetzbare PID-Regler kann beispielsweise vom Typ VE 8 oder VE 18 der Firma ALR-Industrie-Electronic GmbH & Co KG Textilstraße 2,41751 Viersen sein.
Die im Ausführungsbeispiel 1 von 1 verwendeten charakteristischen Werte für die PID-Regelung sind: eine Zeitkonstante von 10 ms für den I-Anteil, eine Zeitkonstante von 1 ms für den D-Anteil und für den P-Anteil ein Verstärkungswert, der zwischen 2,7 und 65 einstellbar war.
Die Pulse der Pulsstrahlung liegen im Piko- bis Ferntosekundenbereich und aus den angegebenen Zeitkonstanten erkennt man, daß die beim PID-Regler eingesetzten Kondensatoren während des Pulsens praktisch die gesamte Verstärkung übernehmen und die parallel geschalteten Widerstände kurzgeschlossen sind. Damit arbeitet der PID-Regler 44 gemäß 2 auch während des Pulsens als Proportionalregler, wobei das Kapazitätsverhältnis der Kondensatoren die Verstärkung bestimmt. Die angegebenen Zeitkonstanten zeigen, daß während des Auftretens des Pulses selbst eine P-Regelung eingestellt ist, die dem sonst zur Verfügung stehenden P-Bereich gleich ist, so daß das Pulsen am Verstärker 46 wesentlich unterdrückt ist.
Auf diese Art und Weise arbeitet der PID-Regler 44 prinzipiell als Integrator mit der angegebenen Zeitkonstante des I-Anteils und führt mit den integrierten Pulsen eine Proportionalregelung durch.
Alternativ kann man deswegen auch eine Schaltung gemäß 3 einsetzen, bei der hinter dem Vorverstärker 42 ein Integrierglied 56 folgt, dem wiederum ein P-Regler 58 nachgeschaltet ist.
Zum besseren Verständnis des Flußdiagramms gemäß 4 soll vorerst eine Meßkurve 5B der am Fotodetektor gemessenen Pumpstrahlung in Abhängigkeit der Resonatorlängenänderung in Mikrometern diskutiert werden. Am in der Meßkurve eingezeichneten Punkt 62 wird eine Pumpleistung Pmin detektiert. In großem Abstand von diesem Minimum, Punkt 62, tritt praktisch keine Konversion auf, so daß die Meßkurve im wesentlichen bei einer maximalen transmittierten Pumpleistung Pmax flach verläuft.
Eine Regelung direkt im Minimum ist mit einer Schaltung gemäß 2 und 3 nicht möglich, jedoch wird vorteilhaft in der Nähe des Minimums bei einem Sollwert unterhalb von 0,2 (Pmax – Pmin) + Pmin geregelt. Weiter ist aus 5B zu ersehen, daß links und rechts vom Minimum zwei Flanken 64 und 66 gegeben sind, wobei die Flanke 66 weniger steil ist und sich daher besser für eine empfindliche Regelung eignet. Auf dieser Flanke ist ferner ein Wendepunkt 68 in der Nähe des Minimums zu sehen. Es ist empfehlenswert, den Sollwert unterhalb dieses Wendepunkts festzulegen, d. h. der Sollwert sollte bei diesem funktionellen Zusammenhang zwischen der Leistung der transmittierten Pumpstrahlung und der Resonatorlängenänderung unterhalb des Wendepunkts 28, beispielsweise beim Punkt 70, liegen, um eine geeignete Regelung durchführen zu können. Das Finden des Sollwerts wird mit Hilfe der vorher beschriebenen Rasterung über eine Auswertung des Mikrocomputers 48 bestimmt. Erst dann setzt die Regelung ein.
Aufgrund der Form der Meßkurve wird auch deutlich, daß bei zu geringem Sollwert 70 in der Nähe des Minimums beim Regeln zum Wechsel von der Flanke 66 auf die Flanke 64 führen kann, wodurch die Stellgröße gemäß den Schaltungen von 2 und 3 in falscher Richtung nachgefahren wird, bei der das piezoelektrische Element 40 dann letztendlich an einen Anschlag fährt. Deswegen sollte der Sollwert etwas oberhalb des Minimums liegen.
Weiter ist aber auch eine Steuerung gemäß 4 vorgesehen, um derartige mögliche Ausfälle einer ordnungsgemäßen Regelung zu verhindern.
Nach dem Programmstart 60, d. h. nach Einschalten der Vorrichtung, wird im Block 70 zuerst ein Rastern initiiert, um nach den vorgenannten Kriterien den Sollwert festzulegen. Danach erst wird der Regelbetrieb eingeschaltet, indem die Fotospannung über das Signal auf der Leitung 52 ausgeschaltet wird und der ermittelte Sollwert auf der Leitung 50 fest vorgegeben wird. Der in 4 gezeigte Block 72 stellt diesen Regelbetrieb im Flußdiagramm von 4 schematisch dar.
Wie vorstehend schon ausgeführt wurde, kann es bei dieser Regelung trotzdem zu einem Fahren aus dem Regelbetrieb an einen Anschlag kommen, was beispielsweise über ein Signal über die Leitung 54 detektiert werden kann. Das wird in dem Block 74 abgefragt. Ist das Piezostellelement nicht an den Anschlag gefahren, setzt die Steuerung über die Schleife 76 in den durch Block 72 gekennzeichneten Regelbetrieb zurück.
Ist dagegen ein Anschlag des piezoelektrischen Elements 40 erreicht, führt die Steuerung den Schritt von Block 76 aus, in dem ein Rastern initiiert und ein neuer Regelpunkt, d. h. ein neuer einzustellender Sollwert gesucht wird.
Der Block 78 ist dabei für die Abfrage daraufhin vorgesehen, ob ein neuer Sollwert gefunden wurde. Ist ein neuer Regelpunkt gefunden worden, wird die Steuerung über die Verzweigung 80 wieder in den Regelbetrieb gemäß Block 72 geführt. Ist kein Regelpunkt detektierbar, wird über den Block 82 und die Schleife 84 ein erneutes Rastern im Block 76 initiiert. Im Block 82 wird dabei überprüft, ob die Anzahl der Rasterdurchgänge größer als eine vorgegebene maximale Zahl ist. Dann wird das Programm im Block 86 beendet und eine Fehlermeldung ausgegeben.
In 5A ist die Leistung der Signalstrahlung des in 1 gezeigten Ferntosekunden-KTA-OPO in Abhängigkeit der Resonatorlängenänderung gezeigt. Es ist deutlich zu sehen, daß der Punkt maximaler Leistung der Laserstrahlung mit der minimalen Leistung 62 der transmittierten Pumpstrahlung in 5A zusammenfällt. Weiter ist deutlich erkennbar, daß die Leistung der Signalstrahlung im wesentlichen das Inverse der Leistung der transmittierten Pumpstrahlung ist, so daß sich über die Pumpstrahlung eine optimale Leistungsregelung der Laserstrahlung ergibt.
Dies ist vor allen Dingen auch aus 6 zu sehen. In 6A ist die Ausgangsleistung der Signalwelle eines Ferntosekunden-KTA-OPO als Funktion der Zeit im Betrieb mit Resonatorlängenregelung, wie sie vorhergehend beschrieben wurde, gezeigt. Es ist deutlich zu sehen, daß über 60 Minuten ein sehr stabiler Betrieb möglich ist.
Dagegen zeigt die 6B einen ungeregelten Betrieb desselben KTA-OPO. Es ist deutlich, daß etwa schon nach 18 Minuten ein sehr unstabiler Betrieb eintritt, der dann ungefähr schon nach 22 Minuten in einer vernachlässigbaren Ausgangsleistung des OPOs bezüglich der Signalwelle resultiert.
Diese Messungen zeigen, wie wirkungsvoll die oben dargestellte Regelung auf dem oder in der Nähe des Minimums 62 der Pumpstrahlung ist. Die Pumpstrahlung ist prinzipiell bei allen diesen Vorrichtungen, die eine Pumpstrahlung in eine Laserstrahlung konvertieren größer als die Laserleistung. Daraus ergibt sich, daß ein über die Pumpstrahlung gewonnenes Signal ein wesentlich besseres Signal/Rauschverhältnis als beim Stand der Technik hat und Regelungen wesentlich verbessert werden können. Dazu sei noch anzumerken, daß statt einer Auskopplung über den Spiegel 22 auch eine Auskopplung über den Spiegel 24 möglich wäre, wie es mit einem Pfeil angedeutet ist, wodurch die unkonvertierte Pumpleistung, die vom Fotodetektor erfaßt wird, höher sein kann, was sich ebenfalls günstig auf das Signal/Rauschverhältnis auswirken wird.

Claims

Verfahren zum Regeln einer mit gepulster Pumpstrahlung (12) synchron angeregten Vorrichtung (10), die die Pumpstrahlung in Laserstrahlung konvertiert, wie beispielsweise ein Laser oder ein optisch-parametrischer Oszillator, gekennzeichnet durch die Schritte: – Bestimmen der Leistung der nach Transmission durch die Vorrichtung unkonvertierten Pumpstrahlung, – Nachführen der optischen Resonatorlänge als Stellgröße auf den Punkt minimaler Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung.
Mit gepulster Pumpstrahlung synchron angeregte Vorrichtung (10) mit einem Resonator, wie ein Laser oder optisch-parametrischer Oszillator zum Konvertieren der Pumpstrahlung (12) in Laserstrahlung mit einem Stellelement (40) zur Veränderung der optischen Resonatorlänge, gekennzeichnet durch eine Detektionseinrichtung (36) zum Detektieren der Leistung der nach Transmission durch die Vorrichtung unkonvertierten Pumpstrahlung (12), sowie eine Reglereinrichtung zum Steuern des Stellelements (40) in Abhängigkeit von der Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung (12), wobei die Regeleinrichtung eine Schaltung (38) aufweist, die das Stellelement (40) in Richtung auf minimale Leistung der nach Transmission durch die Vorrichtung unkonvertierte Pumpstrahlung (12) steuert.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektionseinrichtung (36) ein Integrator (50; 44) nachgeschaltet ist, dessen Zeitkonstante länger als die inverse Repetitionsrate der Pulse der Pumpstrahlung (12) ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpstrahlung (12) gepulst ist und die Schaltung (38) einen PID-Regler (44) aufweist, bei dem die Zeitkonstanten für Differentiation und Integration größer als die Pulslänge und insbesondere größer als die inverse Repetitionsrate der Pulse der Pumpstrahlung (12) ist und dass das Verhältnis der Zeitkonstanten für Differentiation zur Zeitkonstanten der Integration kleiner als 1/3 und insbesondere kleiner gleich 1/10 ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der funktionale Zusammenhang zwischen der Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung (12) und der Stellgröße zwei Flanken (64, 66) mit unterschiedlichen Steigungen aufweist, jeweils eine auf jeder Seite des Punkts (62) minimaler Leistung, auf den geregelt wird, und die Regeleinrichtung für einen Arbeitspunkt (70) zur Regelung der Pumpleistung auf derjenigen Flanke (66) mit der geringeren Steigung vorgesehen ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert der Regeleinrichtung für die unkonvertierte Pumpstrahlung (12) für einen Wert kleiner als 0,2 (Pmax – Pmin) + Pminausgelegt ist, mit Pmax der vollen Pumpleistung und Pmin der minimalen Pumpleistung der unkonvertierten Pumpstrahlung (12) gemäß dem funktionellen Zusammenhang zwischen der Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung (12) und der Stellgröße.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung bei Vorliegen eines Wendepunkts (68) auf einer zum Regeln eingesetzten Flanke in dem funktionellen Zusammenhang zwischen der Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung (12) und der Stellgröße für einen Sollwert zur Regelung der Leistung der unkonvertierten Pumpstrahlung (12) unterhalb dieses Wendepunkts (68) ausgelegt ist.